【技术】基于 CAN 总线的装载机 静液压驱动电控系统

基于力士乐DA液控的静液压驱动系统较液力传动有明显的优势，但这种通过截流的方式实现转速相关控制的最大问题是受温度影响较大，由此导致其在寒冷地区的驱动性能与温热地区有较大差距。在保持静液压驱动系统基本优点不变的基础上，采用配置合理的电控系统能有效提高设备的操控性能、作业效率以及驱动系统与发动机的匹配性能，同时可实现灵活的个性化定制功能。本文介绍一种应用在静液压驱动装载机上基于CAN总线的电控系统。

一、电控系统组成及原理

1.总体结构

系统的结构很大程度上决定了系统的生命力、方便性、通用性、灵活性和扩展性。基于系统的生命力考虑，该电控系统采用CAN总线构架，以便在线数据采集、在线调试和故障诊断，并可实现灵活组合、扩展，同时具有很好的通用性。

该电控系统采用通用主控制器和专用I/O模块组合结构，以实现信号输入和控制输出功能。其总体结构如图1所示。

系统中机械与液压系统部分主要由柱塞泵和双速马达构成闭式静液压驱动回路，它通过齿轮箱、传动轴、驱动桥来完成行走驱动，通过驱动桥上的湿式制动器实现制动。电气控制部分的控制器通过CAN总线、I/O模块来实现信号采集和控制输出。输入信号有FNR开关、寸进踏板、转速传感器、驻车开关和高低速开关。控制输出的元件有柱塞泵电比例阀、高低速电磁阀和制动电磁阀。输入和输出信息通过CAN总线USB转换，在PC端显示。控制器参数可直接在PC端调整，并通过CAN总线下载至控制器。

2.系统开发平台

对于工程技术人员来说，软件平台需要易用、高效，且不需在软件学习上花很大的精力。同时，软件平台还需要方便离线和在线调试。PLUS+1平台就是一个比较适合工程技术人员的软件平台，它包括图形化控制程序开发、服务界面开发2大主要开发工具和一个用于显示器开发仿真的模拟器。与Codesys平台相似，其控制程序开发工具中提供了基本的函数、计算、逻辑和一些功能模块，可直接选用，提高了开发效率。其界面开发是完全可视化环境，比较直观。同时界面开发与程序开发是直接相关联，完成开发后可通过PC终端完成程序下载、在线诊断和参数调整等。

3.系统硬件

对于设备控制系统来说，一个控制上的小错误都可能导致严重的后果，为此系统硬件首要的要求就是安全可靠。此外，由于设备作业环境恶劣，所以对系统硬件的防护等级、抗干扰、抗冲击和抗振动等性能的要求都很高。根据功能的需要，本系统硬件包括主控制器、I/O模块、寸进踏板、FNR开关、高低速开关、驻车开关、开关电磁阀和比例电磁阀等元件。

综合各方面因素，主控制器选用综合性能优异的PLUS+1控制器。PLUS+1控制器的环境温度适应范围广，防护等级达到IP67，抗冲击和抗振动性能均满足IEC相关标准，电磁兼容符合CE认证。PLUS+1控制器是一个可编程的多功能控制器，输入和输出均带有多种可选形式可供自定义，控制器带有CAN总线接口，可满足CAN2.0和CANOPEN协议，同时运算速度快，通用性强。

在保证安全可靠的前提下，I/O模块则可选用成本更具优势的定制产品。寸进踏板采用非接触霍尔传感器，性能更可靠，寿命更长。FNR开关、高低速开关、驻车开关、高低速和制动电磁阀均为与液压系统配套应用相当成熟的产品。

转速传感器和比例电磁阀则选自液压泵厂家提供的集成产品。比例电磁阀可用电流和PWM方式驱动，与控制器输出完全兼容。配合该款柱塞泵工作时，其工作特性曲线除受本身线性度影响，还将受系统压力影响。

4.系统软件

控制软件是系统的核心，系统的所有控制功能都体现在软件上。软件设计时不仅要充分考虑稳定性和安全性，还需要考虑系统调试的方便性。同时要充分挖掘需求，以便构建软件框架。

本驱动系统是一个泵控系统，即由泵的主动变量来实现系统的调速，为此柱塞泵是驱动系统中的被控对象，比例电磁阀的电流是控制输出的主要参数。依据DA控制系统中转速排量相关的思路，构建的软件基本流程如图2所示。

基本流程只是软件系统的主线，为满足整机需求，实现不同环境温度下的调整和不同驾驶感觉的调整，以及符合安全标准等强制要求，需将用户的各种操作作为支线适时汇入到主线中。通过分析设备操作和各个环节的需求，将基本流程进行扩展和完善，得出的系统软件流程如图3所示。

为了确保得到稳定的状态量和数值，更准确地反应系统操作需求，同时也确保了操作安全，在输入环节，开关、模拟和脉冲输入量都经过前处理和复合逻辑处理。其中包括:转速脉冲需要滤波并转化为发动机转速值;确认是否有人为通过寸进踏板干预柱塞泵排量的情况;确认FNR开关及驻车开关的状态，并进行逻辑关系处理;通过输入量确定加速、减速、制动和换向等驱动状态。

在输入与输出关系的中间处理环节，需通过对输入和输出情况的判断，建立适合的输入与输出关系，以满足高效作业和良好的驾驶感受。车辆处于加速、油门调速、制动调速、紧急制动、方向切换和变换空挡等不同操作需求时，输入与输出的关系都有所不同，为此需要区别对待，以达到更好的作业效率和驾驶感受。

在输出环节也要经过安全逻辑、电流斜坡、开关量延时处理等，以避免误动作，从而降低系统冲击，增强安全性和稳定性。系统的运行参数则统一起来集中管理，在系统运行时参数可直接被引用。安全逻辑和故障诊断处理要贯穿整个系统，以便及时反应系统运行状态，保证出现故障时的信号输出安全。

二、性能分析

基于CAN总线的装载机静液压驱动电控系统，是为解决DA液控系统存在的问题，对DA液控系统进行升级而设计的控制系统，因此，性能分析也以DA液控系统为参照。在驱动的本质上，2种控制系统是完全一样的，都是一个泵控变量系统，不同的是控制方式的改变。总体看来，基于CAN总线的装载机静液压驱动电控系统有以下几点性能优势:

1.系统对温度敏感性低

基于力士乐DA控制的静液压驱动液控系统原理如下:将DA控制阀安装于驱动回路的补油通道上，补油的流量通过DA阀阀芯中间的截流孔，在孔的两侧产生压差，与回位弹簧平衡，控制阀芯的位置调节泵的控制压力，从而达到泵控系统的调速功能。

当发动机转速上升时，泵的控制压力上升，系统速度提高;相反，发动机转速下降时系统速度降低，从而实现了发动机转速相关的自动无级调速。同时也可以通过机构或者液压直接调整泵的斜盘角度，实现与发动机转速无关的调速，以满足驱动功率与工作系统功率的分配。这种通过截流的方式实现转速相关控制的最大问题是受温度影响较大，由此导致其在寒冷地区的驱动性能与温热地区有较大差距。

基于CAN总线的电控系统根据转速传感器信号进行调节，因此在工作温度范围内不受影响。在泵的控制压力环节，DA阀(液控阀)的输出压力受温度的影响，而控制器的输出电流却不受温度影响。在寸进功能控制上，液控阀受温度影响，而霍尔角度传感器输出却不受温度影响。由此可见，电控系统在输入、输出和转换等环节都不受温度影响，明显比DA液控系统占优势。

2.系统操控性好

在寸进和制动操作时，DA液控系统采用的是寸进制动组合阀控制，其压力输出曲线如图4所示。图4中横坐标表示寸进制动组合踏板转角百分比，纵坐标表示寸进制动组合阀输出压力，2条曲线折点的横坐标为寸进到制动功能转换时刻的踏板转角百分比。采用DA液控系统时，寸进制动组合阀块标定好后，其输出曲线即确定。而采用电控系统时，根据需要任意调整制动踏板寸进功能的范围及调节变化率，可使操作者达到不同的感受。同样，在发动机转速与泵排量控制关系上，电控系统可以设计多条关系曲线。与液控系统相比，电控系统不仅能使操作者操作感受更好，还可让发动机功率的利用率更高。

3.加速、制动性能强

通过对编号CXG09041H001B0074(搭载力士乐DA液控系统)和CXG09041T001C0043(搭载电控系统)的2台装载机进行加速和制动测试，我们得到了2种控制系统的测试结果如附表所示。

(1)加速曲线对比

2种控制系统的加速曲线对比如图5所示。从图5中两者的加速性能比较可以看出，2条加速曲线的形状十分相似，说明其加速过程十分相似，因此我们选择相同车速点的平均加速度来分析其加速性能的差别。

在纵坐标车速为10km/h处，图5a对应横坐标的行驶距离约为2.5m，图5b对应横坐标的行驶距离也约为2.5m。从平均加速度来看，这2段的平均加速度相等，约为1.55m/s2。在纵坐标车速12km/h处，图5a对应横坐标的行驶距离约为3.75m，图5b对应横坐标的行驶距离约为4.0m。按平均加速计算得到加速度分别为1.48m/s2和1.38m/s2，二者相差不大。在纵坐标车速16km/h处，图5a与图5b对应横坐标的行驶距离分别为15.0m和12.5m，用相同的方法计算得到加速度分别为0.66m/s2和0.79m/s2，二者相差也不大。由以上测试可以看出，2个系统的加速度值接近，电控系统在加速性能上达到了液控系统相应的性能。

从图5b可以看出，电控系统在车速达到16km/h后加速过程十分平缓。理论上讲，这一车速段发动机还有能力为液压驱动系统提供更大的加速度，因此电控系统在这个加速段的参数还有调整空间。

(2)制动曲线对比

从附表中的数据可以看出，液控系统的制动距离达到11m，已达不到国家强制标准的要求，而电控系统的制动性能则表现优异。

2种控制系统的制动性能曲线对比如图6所示。从图6a可能看出，在制动一半距离时车速仅降低了约1km/h，几乎没有制动效果，很象制动信号延迟了1s产生的效果。分析认为，液压系统受温度影响较大，且每个产品都需要进行性能调试，因此有可能是液压油温度还较低或调试不到位，导致反应延迟。为了排除这种因素的影响，我们将其制动效果明显的后半段与电控系统进行比较。

图6a青色线位置约为制动距离为5.5m的位置，与制动结束的11m制动距离差5.5m，我们将其看作是液控系统的制动距离。从图6b看出，电控系统的总制动距离为4.25m，在制动距离上占一定优势。从车速的波动上看，其车速波动也基本都保持在1km/h以内，基本属于平稳制动。

电控系统的制动性能可以通过调节制动加速度值来调整，理论上制动加速度还可以提高。由于我们未进行极限加速度值的测试，所以无法得知其制动性能达到什么程度。制动时还要考虑操作人员的舒适性，不是制动加速度越大越好。一般来讲，达到国家标准且在不影响操作人员感受的范围内，可适当缩小制动距离。

此外，电控系统在安全逻辑、功能扩展、发动机功率吸收拟合、系统调试和客户定制等方面都有其便利性，设计人员在软件和参数上进行调整，可使其性能进一步提高。

基于CAN总线的装载机静液压驱动电控系统，很好地解决了液控系统存在的问题，同时给静液压驱动带来新的亮点。设计电控系统不仅是简单搭接硬件和写程序，更重要的是对液压系统、动力系统的理解，对机器操作感受的敏感，并将以上这些与软件、硬件联系在一起。可以预见，随着国家对排放要求的不断提高，人们对节能的意识越来越强，电控技术在工程机械领域应用的范围将越来越广。